【摘 要】
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全髋关节置换术主要治疗髋关节部位严重磨损、塌陷等,它已被证明为终末期髋关节损坏的有效方式。手术难点在于如何准确地植入假体,它是决定手术成败的关键因素。如果髋臼杯假体植入位置与髋臼腔不吻合,容易造成术后人工关节的松动和脱位。本文重点研究如何基于先进技术实现髋臼假体的精准植入使得医生操作最适化。主要研究内容如下:（1）针对术前规划,本文采用了一种CT/MRI图像分割和三维重建的方法,它具有图像分割效果
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全髋关节置换术主要治疗髋关节部位严重磨损、塌陷等,它已被证明为终末期髋关节损坏的有效方式。手术难点在于如何准确地植入假体,它是决定手术成败的关键因素。如果髋臼杯假体植入位置与髋臼腔不吻合,容易造成术后人工关节的松动和脱位。本文重点研究如何基于先进技术实现髋臼假体的精准植入使得医生操作最适化。主要研究内容如下:（1）针对术前规划,本文采用了一种CT/MRI图像分割和三维重建的方法,它具有图像分割效果好、计算速度快等优点。根据临床合作伙伴的指导,我们基于骨质地标的特征和球面拟合算法分别在点云下的虚拟模型中获取骨质地标和髋臼杯孔的基准点位置。除外,基于临床合作伙伴提供的前倾角和外展角信息,我们计算出髋臼杯植入的最佳路径。（2）针对手术过程中器械和模型基准点的定位问题,本文采用计算机视觉跟踪技术,它包括相机标定、双目立体测距、双目追踪和虚拟物体与真实空间配准四个部分。相机标定建立了双目立体相机视野中的像素坐标系与真实场景中的世界坐标系的转换关系。为了精准测量深度信息,我们采用了双目立体测距,它包括双目标定、角点检测、特征匹配和立体测距四部分。基于计算复杂度、运行速度和准确度的考虑,我们采用了经典的Harris算法和NCC快速相似度的特征匹配算法完成角点检测和特征匹配。在追踪算法选取方面,我们选择了智能程度高、准确度高、延迟性低和具有二次追踪特性的标记物识别跟踪法。同时,基于标记物将虚拟物体配准到真实场景中。在对比骨质地标在虚实空间的位置的实验中,发现位置和方向的配准平均误差为2.2毫米和0.8°,这说明了本文提出的增强现实导航框架在全髋关节置换术中的可行性。（3）针对医生在计算机视觉下的手术操作不如徒手方便的问题,本文开发了一个用于髋臼杯定位的主从式虚拟仿真训练系统。该系统可以为医生提供一个安全和现实的训练环境,从而缓解有限的医疗资源的压力。主从式虚拟仿真训练系统主要由主从控制模块和虚拟场景模拟模块两部分组成。主从控制模块主要负责输入端和控制器之间的指令交互;虚拟场景模拟模块主要包括虚拟骨骼模型的设计和虚拟手术环境的三维重建,以及手术工具的模拟。在训练过程中,医生通过物理主手完成控制器中的虚拟手术工具的映射。当虚拟手术工具以正确的姿态到达髋臼的基准点时,虚拟训练界面上的交互机制会提示用户操作正确。实验中,五名用户体验了该系统的可行性,通过试验的时间显示该系统显著提高了熟练程度。（4）针对手术过程中徒手定位精度低的问题,本文设计了一个主从控制式全髋关节置换机械平台。机械平台的主体框架由Hbot电机同步带XY轴传动结构、立体相机固定槽、Z轴驱动装置和机械臂末端执行器构成。本文基于Solid Works进行机械平台的设计和搭建,基于步进电机、专用的驱动器和开关电源进行电能转换或传递,以及嵌入式微控制器开发板STM32F4进行连接和控制。在步进电机控制系统中,我们通过输入脉冲宽度调制（简称脉宽调制,PWM）来完成对步进电动运动的控制。经测量,机械平台在x,y和z方向的标准差依次为0.35mm,0.16mm和0.45mm,这显著提高了手术的定位精度。
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